ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2010, № 2, с. 3—13
УДК 662.667:541.6:539.22:539.26:539.41
СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АНТРАЦИТОВ
ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА © 2010 г. Г. Б. Скрипченко
ФГУП "Институт горючих ископаемых — научно-технический центр по комплексной переработке
твердых горючих ископаемых", Москва E-mail: skripchenkogb@mail.ru Поступила в редакцию 14.10.2009 г.
В статье представлена общая характеристика антрацитов Донбасса в целом и их особенности в Восточном (Российском) Донбассе, приведены данные их химического состава, структуры и свойств, зависимости от степени метаморфизма, а также взаимосвязи различных показателей степени метаморфизма. Рассмотрены основные направления квалифицированного использования антрацитов как энергетического топлива, так и технологического сырья: получение термоантрацитов и термографита, восстановителей и карбюризаторов, фильтрантов, сорбентов и др.
Антрациты представляют собой сложную природную композиционную угольную систему из органических мацералов (микрокомпонентов), отличающуюся высоким содержанием углерода (С4"> 90—96%), низким выходом летучих веществ (У4"? < 8%), высокой ароматичностью, анизотропией структуры и свойств. Они выделены в особый вид горючих ископаемых и включают достаточно широкий класс углей, значительно различающихся по степени метаморфизма, петрографическому составу, физическим, химическим и технологическим свойствам [1—3].
Большую часть добываемых в мире антрацитов используют как высококачественное энергетическое и бытовое топливо, но около 1% низкозольной продукции идет на получение специальных материалов — термоантрацитов. К таким антрацитам предъявляются специальные требования по гранулометрическому и химическому составам (зольности, содержанию серы, фосфора, железа), физико-химическим показателям [2—4]. Все такие угли, используемые в настоящее время для получения термоантрацитов, можно разделить на три группы, различающиеся по условиям образования, петрографическому составу и свойствам:
высокометаморфизованные витринитовые антрациты регионального метаморфизма: типичный пример — Донецкий бассейн (Украина и Россия), Пенсильванский бассейн (США);
инертинитовые (фюзинитовые) антрациты средней степени метаморфизма — Горловский бассейн (Россия);
витринитовые антрациты термального метаморфизма низкой степени метаморфизма — это Куангнинский бассейн во Вьетнаме также, по-
видимому, Южный и Северный бассейны Северной Кореи, месторождение Сишань Китая.
Общая характеристика антрацитов Донбасса. Донецкий бассейн вытянут в широтном направлении на 650 км при максимальной ширине 200 км и занимает площадь ~60 тыс. км2.
Предполагают [2, 3], что в бассейне протекало последовательное превращение углей от бурого до антрацита, при этом степень метаморфизма углей увеличивается от стратиграфически более высоких горизонтов к более низким (правило Хиль-та для регионального метаморфизма); степень метаморфизма угля в одном и том же пласте при прочих равных условиях повышается с увеличением современной глубины залегания пластов; возрастание степени метаморфизма в каждом пласте в плане происходит параллельно увеличению мощности каменноугольных отложений с запада на восток и от периферии бассейна к центру, и это — главная региональная закономерность Донецкого бассейна, объясняющая характер зонального распределения углей по маркам.
В Донецком бассейне антрациты занимают обширные площади в центре и на юго-востоке и залегают по всем свитам среднего карбона, их геологические запасы превышают 28 млрд. т. Антрациты бассейна относятся к группам 1А, 2А, ЗА и витринитовым подгруппам 1АВ, 2АВ, ЗАВ. Антрациты обладают очень сильным блеском, плотным сложением, по показателям оптической и рентгеновской структуры и свойствам они существенно анизотропны [3, 5].
Для антрацитов Донбасса с увеличением степени метаморфизма характерно однонаправленное изменение многих свойств: рост аналитической влаги (№"), уменьшение объемного выхода
летучих ), удельного электросопротивления
(УЭС) (1§ р) и теплоты сгорания ), рост
плотности (йлг), прочности и микротвердости (Н) [2, 3, 5, 6].
Для объяснения различия в химических и технологических свойствах изометаморфных углей Донецкого бассейна было введено понятие "вос-становленность угля" [2, 7]. В качестве показателя степени восстановленности для антрацитов предложена анизотропия отражения витринита Лд: к более восстановленным среди равномета-морфизованных относятся угли с более высоким содержанием водорода, повышенным выходом летучих веществ, пониженной плотностью, меньшей электропроводностью и микротвердостью [2, 7-10].
Состав минеральных примесей в антрацитах разнообразен: значительная доля принадлежит глинистым минералам (каолинит, монтмориллонит, иллит, другие алюмосиликаты), часто встречаются пирит, марказит, сидерит, кальцит, кварц, полевые шпаты. Заметно присутствие серы во всех пластах антрацитов. Минимальное количество (0.8-1.2%) встречается при практически полном отсутствии пирита (только органическая сера). Присутствие пирита значительно повышает сернистость антрацитов до 3-4%, а в исключительных случаях — до 5%.
Зольность антрацитов бассейна колеблется в очень широких пределах, часто встречаются пласты с зольностью 12—18% и более [3, 5, 11—14]. Наблюдается закономерность: с ростом общей зольности в минеральных компонентах увеличивается содержание глин (особенно гидрослюд), сульфида железа и кварца, а в самих глинах растет доля гидрослюд и уменьшается доля каолинита [12]. Согласно [13, 14] в золах антрацитов разных шахтопластов преобладают оксиды кремния (30— 60%), алюминия (8-30%) и железа (10-45%). Содержание оксидов кальция и магния существенно ниже - до 4 и 2.5%. Температуры плавкости зол лежат в интервале 1160-1400°С.
После разделения СССР к Российской Федерации отошли угли в пределах Ростовской области - Восточный (Российский) Донбасс. Здесь распространены каменные угли всего ряда метаморфизма - от длиннопламенных до антрацитов; степень метаморфизма в них возрастает с севера на юг [3,15]. Антрациты в Российском Донбассе
залегают по всем свитам С23 - С2.
На севере Ростовской области в Миллеров-ском геолого-промышленном районе (ГПР) и северной части Каменско-Гундоровского ГПР залегают длиннопламенные и газовые угли, спекающиеся угли (марки Ж, К, ОС) и тощие угли - в Каменско-Гундоровском, Белокалитвенском и
Тацинском районах. Но в области в наибольшей степени представлены антрациты - в Гуково-Зве-ревском, Шахтинско-Несветаевском, Сулино-Садкинском, Цимлянском, Краснодонецком и Задонском ГПР. Их разведанные запасы составляют 15.9 млрд. т, в том числе запасы, учтенные Госбалансом РФ (А + В + С1 + С2) - 7.3 млрд. т и прогнозные - 8.6 млрд. т [1]. Добычей антрацитов к 2000 году занимались ООО "Компания Росто-вуголь", ОАО " Гуковуголь", ОАО "Шахтуголь", ОАО "Обуховская", ООО "Садкинское", ООО "Су-линуголь", ООО "Уголь-ЗУМК", в которых действовали 64 шахты. Но в результате реструктуризации угольной промышленности к настоящему времени шахтный фонд значительно сократился.
Антрациты в Восточном Донбассе несколько более метаморфизованы и более однородны, чем антрациты Донбасса в целом: содержание углерода в них изменяется в пределах О*" = 94.5-97%, водорода Н= 1.1-2.2%, объемный выход летучих У^ = 46-170 см3/г, УЭС ^ р = 0.6-4.1. Но зольность антрацитов также меняется в широких пределах - от 3.8 до 23% [5, 13]. Преобладающим мацералом антрацитов является витринит (8090%) и клареновая масса, фюзинизированные ткани имеют очень небольшие размеры и форму тончайших штрихов и линзочек, быстро выклинивающихся в горизонтальной плоскости. Количество фюзинита в среднем не превышает 1012%.
Для антрацитов Восточного Донбасса также характерно изменение свойств по глубине залегания. Так, в Гуково-Зверевском районе на разрезе угленосной толщи 3500 м по мере опускания от
пласта т9 к пласту к8 в антрацитах растет содержание углерода, уменьшается выход летучих от 170 до 46 см3/г и УЭС 1§ р от 4.14 до 0.64, растут плотность от 1.40 до 1.57 г/см3 и микротвердость от 590 до 1470 МПа [15, 16].
Но в целом антрациты Восточного Донбасса по структуре и свойствам принципиально не отличаются от всей совокупности донецких антрацитов и далее при анализе их целесообразно рассматривать как единое целое.
Состав, структура и свойства витринитовых антрацитов. В Донецком бассейне представлены антрациты, достаточно близкие по петрографическому составу, но существенно различающиеся по степени метаморфизма и восстановленности. Это определяет широкий разбег показателей их химического состава, отражательной способности, оптической анизотропии, молекулярной и надмолекулярной структуры, а также свойств.
В качестве показателя степени метаморфизма для антрацитов Донбасса пока не приняли среднюю отражательную способность витринита в
Н/С, ат 0.5
о 1 • 2
6 Д
0, г
%
Рис. 1. Взаимосвязь между показателем химического состава и отражательной способностью антрацитов (по данным работ [8, 17—27]): 1 — слабовосстановлен-ные антрациты; 2 — восстановленные антрациты.
У/а/, см3/г
300
200
100
УЭС ^ р, Ом ■ см 8
Н, МПа
1500
1000
500
6
2
3
4
5
6 Д
0, п
-■0
%
Рис. 2. Взаимосвязь между объемным выходом летучих (1), микротвердостью (2), удельным электросопротивлением (3) и отражательной способностью антрацитов (по данным работ [8, 17—27]): а — слабовосстанов-ленные антрациты; б — восстановленные антрациты.
4
2
0
2
3
4
5
0
иммерсионном масле Д0 , предлагали также использовать показатели содержания углерода С4"?, выхода летучих веществ, удельного электросопротивления (УЭС), микротвердости, степени кристалличности (по показателю анизотропии отражательной способности) [2, 5, 10, 17, 18]. Анализ взаимосвязи этих показателей на большом массиве данных, полученных разными авторами, свидетельствует о том, что для всего ряда метаморфизма антрацитов независимо от степени восстановленности наблюдается единая зависимость от средней отражательной способности витринита Д0, г. Так, при анализе данных работ [8, 17—27] наблюдается линейная взаимосвязь между показателем элеме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.